Царство Солнца. От Птолемея до Эйнштейна

ПЛАНЕТА, КОТОРОЙ НЕ БЫЛО

Дело в том, что, несмотря на все победы ньютоновского закона всемирного тяготения, существовало одно планетное движение, которого он объяснить не мог.

В начале главы 7 я упомянул о том, что Эйлер использовал силы гравитации для того, чтобы объяснить, почему положение перигея Луны медленно вращается вокруг Земли. Гравитация должна была также объяснить и то, что положение перигелия планеты вращается вокруг Солнца, а также скорость этого вращения.

Так случилось, что Меркурий имеет орбиту с большим эксцентриситетом и самый быстро движущийся перигелий. В афелии, когда Меркурий отстоит от Солнца дальше всего, до него 78,3 миллиона километров. В перигелии, когда он ближе всего к Солнцу, расстояние сокращается до 51,3 миллиона километров. Местоположение перигелия в пространстве постоянно смещается, и это смещение вперед можно объяснить за счет гравитационного воздействия ближайших планет, таких, как Венера и Земля.

Однако так можно было объяснить далеко не все движение! Как астрономы ни старались, всегда оставалось еще какое-то смещение вперед, которое объяснить не получалось.

В 1845 г. Леверье (которому вскоре предстояло открыть Нептун) обнаружил это, пытаясь составить таблицы для вычисления движения Меркурия. Он рассчитал, что за 100 лет перигелий сместился вперед на 40 секунд больше, чем ему следовало бы. Это не такое уж большое расхождение. Чтобы было понятно, насколько оно невелико, скажу: ширина Солнца или Луны, видимых с Земли, составляет полных 1800 секунд. Следовательно, потребовалось бы не меньше 4500 лет, чтобы перигелий Меркурия отошел от рассчитанного положения на видимую ширину Солнца или Луны.

Однако астрономы привыкли получать очень важные результаты путем объяснения подобных небольших несовпадений. Когда Кеплер попытался подогнать круговые орбиты к позициям Марса, определенным Тихо Браге, ему это почти удалось. Его подгонка никогда не давала расхождения более 500 секунд. Однако 500 секунд оказалось достаточно, чтобы он попробовал вместо этого воспользоваться эллиптическими орбитами. Перемещение Урана отличалось от теории менее чем на 100 секунд, и этого оказалось достаточно, чтобы открыть Нептун. Ловелл даже попытался вычислить положение Плутона по отклонениям, составлявшим менее 2 секунд.

Конечно же можно и нужно было делать что-то с этими 40 секундами в столетие, которые были лишними в движении Меркурия.

Леверье, который к этому времени справился с одним несовпадением, открыв новую планету, приготовился решить эту задачу таким же образом. В конце концов, за Меркурием могла оказаться неизвестная планета — так же, как она оказалась за Ураном. Вероятно, она окажется еще меньше Меркурия и будет находиться настолько близко к Солнцу, что обнаружить ее окажется крайне сложно: ведь планета всегда будет теряться в свете Солнца.

Однако если она действительно там находится, то ее гравитация могла бы объяснить эти 40 секунд за век. Леверье решил, что для этого нужна была бы планета с диаметром приблизительно в 1800 километров, которая бы вращалась на расстоянии 34 миллионов километров от Солнца. Для этой планеты даже предложили название — Вулкан, по имени римского бога огня. Хорошее название, поскольку на таком расстоянии от Солнца планета была бы раскалена докрасна.

Астрономы (особенно астрономы-любители, жаждавшие славы, которую им принесло бы открытие планеты) тут же начали охоту. Наилучшей возможностью обнаружить эту планету были бы наблюдения за окрестностями Солнца во время полного затмения. Еще одной хорошей возможностью было бы наблюдение за самим Солнцем, чтобы увидеть темное тело, которое пересекло бы его диск при прохождении — тело, которое не было бы Меркурием, Венерой или солнечным пятном.

И действительно — в течение следующих десяти —двадцати лет поступило несколько объявлений об открытии Вулкана. По правде говоря, во время затмения 1878 г. сообщалось не об одной, а о двух планетах дальше орбиты Меркурия. Однако все эти сообщения оказались ложными. Другим астрономам не удавалось найти подтверждения этим сведениям.

И до нашего времени планету внутри орбиты Меркурия обнаружить не удалось. Конечно, теперь нам известно и о малой планете Икар, которая подходит к Солнцу в перигелии на 30 миллионов километров, но она такая крошечная, что не могла бы оказать заметного влияния на Меркурий.

Конечно, можно было бы предположить, что невозможность обнаружить Вулкан еще не говорит о том, что его там нет. Однако астрономы довольно скоро удостоверились в том, что его нет. Используя гравитационную математику, можно показать, что если бы Вулкан существовал (как это утверждал Леверье), то он вызывал бы возмущения в движении Венеры и Земли, которых просто нет.

Дополнительному движению перигелия Меркурия пытались найти и другие объяснения. Например, кольцо метеоров вокруг Солнца или особое движение Солнца. Но ничего не получалось. Все, что действовало бы на перигелий Меркурия, должно было действовать и на Венеру с Землей. А так это нечто (чем бы оно ни было) влияло только на Меркурий, хотя закон всемирного тяготения утверждал, что такое невозможно.

К 1900 г. единственным объяснением стало то, что ньютоновский закон всемирного тяготения все-таки не работает безупречно.

ИСКРИВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА

Но 1900 г. стал годом научной революции, еще более значительной, чем та, что произошла в 1600-х гг. во времена Коперника и Галилея. Ученые обнаружили, что атомы, считавшиеся самыми маленькими частицами, можно разбить на гораздо более мелкие элементы. Разрабатывались странные понятия в области энергии. Оказывалось, что энергия существует в виде маленьких порций, называемых квантами, точно так же, как материя состоит из атомов.

И что важнее всего, два американских физика, Альберт Майкельсон и Э.У. Морли, в 1887 г. попытались измерить скорость света, когда свет двигался в разных направлениях. С помощью очень чуткого прибора, называемого интерферометром, эти двое измерили скорость света, когда он двигался в направлении движения Земли и поперек этого направления. Они надеялись, что по разнице в этих скоростях смогут определить скорость, с которой движется Земля.

Видите ли, все были согласны с тем, что Земля движется вокруг Солнца с определенной скоростью, 32 километра в секунду. Однако и само Солнце не стоит на месте. Все звезды движутся, хотя они расположены настолько далеко, что изменения их положения нельзя различить невооруженным глазом, пока не пройдет несколько веков (вот почему их всегда и считали «неподвижными звездами»).

Солнце тоже движется, вращаясь вокруг некоторой точки в Млечном Пути и тратя на один оборот миллионы лет. Эта центральная точка Млечного Пути тоже движется.

Тогда встает вопрос: есть ли во Вселенной что-то, что не двигалось бы, оставалось бы абсолютно неподвижным? Если это так, то скорость Земли можно было бы сравнить с ним.

В 1887 г. считалось, что вся Вселенная заполнена веществом, называемым «эфир». Именно эфир переносил световые волны, магнитные силы и тому подобное. Более того, предполагалось, что он совершенно неподвижен. Майкельсон и Морли надеялись, что, обнаружив различие в скорости света, когда она складывается с видимой скоростью Земли и направлена перпендикулярно к ее движению, они измерят «истинное» движение.

К изумлению Майкельсона и Морли, скорость света оказалась одинаковой, вне зависимости от направления. Они повторили этот эксперимент, как это сделали и другие люди, но результат всегда оставался таким. Скорость света (в вакууме) не менялась, независимо от движения объекта, который испускал свет.

Это истолковали так, что эфира не существует и во Вселенной нет ничего, что можно было бы считать неподвижным. Однако наличие Вселенной, в которой все движется и ничто не находится «в состоянии покоя», с которым можно сравнивать все движение, опрокидывало некие основополагающие понятия, которые ученые имели со времени Ньютона.

В 1905 г. двадцатишестилетний немецкий математик но имени Альберт Эйнштейн, работавший в тот момент в патентном ведомстве в Швейцарии, опубликовал статью, в которой выдвинул то, что называют специальной теорией относительности. В ней он попытался разработать систему вселенной, где свет в вакууме всегда двигался с одинаковой скоростью. Оказалось, что такая вселенная должна сильно отличаться от той, которую знали ученые.

Например, длина объекта изменялась в соответствии с его скоростью, и то же происходило с количеством материи в нем. В старой вселенной системы Ньютона длина и количество материи никак не были связаны со скоростью. Опять же, во вселенной Эйнштейна материя была эквивалентом энергии, а энергия — материи, в соответствии с очень простой формулой; одно могло превращаться в другое. В системе Ньютона материя и энергия не были связаны.

Ну, так какая же система правильная? Обе они не могли быть правильными. Проблема в том, что это трудно определить. При обычных условиях система Эйнштейна дает ту же картину, что и система Ньютона. Например, при обычных скоростях, скажем, до полутора тысяч километров в секунду, изменения длины или количества материи настолько малы, что их невозможно обнаружить. При обычных условиях столь малая часть материи переходит в энергию или наоборот, что заметить нельзя.

Только при экстремальных условиях, при скоростях в сотни тысяч километров в секунду или при радиоактивном распаде, появляется огромное различие между системами Эйнштейна и Ньютона, и тогда мы можем вынести решение.

Например, в 1915 г. Эйнштейн опубликовал еще одну статью, где была выдвинута общая теория относительности, в которой он применил новые принципы Вселенной к гравитации. В соответствии с теорией Эйнштейна, гравитация — это не сила, которая удерживает объекты. На самом деле оказывалось, что она появлялась потому, что пространство рядом с массивным телом искривлялось. Чем больше тело, тем более сильным было искривление.

Небольшое скопление материи, приближающееся к более крупному телу, просто следует по изгибу и вращается вокруг него. Это вполне естественная вещь: так сани, быстро мчащиеся с горы и подкатывающиеся к крутому склону, естественно взбираются на этот склон, начиная двигаться по изогнутой траектории.

Конечно, искривление пространства действует так, что движение планет оказывается приблизительно таким, как если бы между ними и Солнцем действительно существовали гравитационные силы, как это предположил Ньютон. Разница становится заметной только при экстремальных условиях.

Одним из экстремальных условий можно назвать ситуацию, когда маленькое тело оказывается очень близко от крупного. В нашей Солнечной системе Меркурий — единственная планета, которая находится достаточно близко от Солнца, так что условия становятся достаточно экстремальными, чтобы продемонстрировать различие между системами Ньютона и Эйнштейна. Это добавочное перемещение перигелия в 40 секунд за сто лет не может быть объяснено с помощью гравитационной математики, зато его можно точно объяснить с помощью релятивистской механики.

РЕШАЮЩЕЕ ЗАТМЕНИЕ

Таким образом, движение перигелия Меркурия было объяснено — при условии, что теория Эйнштейна верна. Но была ли она верна? Астрономам не хотелось без особых оснований отказываться от идей Ньютона.

В конце концов, Эйнштейн заранее знал о наличии 40-секундного несовпадения движения Меркурия, накапливающегося за сто лет. Естественно, он подогнал свою теорию так, чтобы это объяснить. Значит, одного этого было недостаточно, чтобы доказать правильность его теории.

Однако предположим, что удалось бы найти еще какое-то условие, которые окажется достаточно экстремальным, чтобы продемонстрировать различие между системами Эйнштейна и Ньютона, причем такое, которое ученые еще не исследовали. Тогда обе системы будут работать, так сказать, вслепую. Затем можно провести необходимые наблюдения и прийти к выводу относительно обеих систем.

Например, если пространство искривлено, как это утверждал Эйнштейн, то свет должен следовать но кривой, точно так же, как и планеты. Поскольку свет движется чрезвычайно быстро, то он изгибается очень слабо, но Эйнштейн предсказал, что при экстремальных условиях, если бы свет проходил очень близко от Солнца, его искривление станет достаточно большим, чтобы его можно было измерить.

В то же время, согласно Ньютону, гравитация воздействует только на материю. Свет гравитации не подвержен (луч фонарика легко уходит вверх, против направления притяжения Земли), так что луч света не подвергнется воздействию гравитации и будет продолжать движение но идеально прямому пути, как бы близко от Солнца он ни проходил.

Итак, никому не приходило в голову проверить, не искривляется ли свет, проходя мимо Солнца, так что наблюдений этого явления не существовало.

Однако Эйнштейн выдвинул свою общую теорию относительности в 1915 г. Европа тогда была охвачена войной, и науке пришлось подождать.

В 1918 г. война закончилась, а в 1919 г. должно было произойти полное затмение, которое можно было наблюдать с острова Принсипи в Западной Африке. Международный характер науки таков, что никого не удивило, что англичане возьмут на себя лидерство в проверке теории немца после того, как Англия и Германия в течение четырех лет вели кровопролитную войну.

Королевское астрономическое общество Англии организовало экспедицию на Принсипи специально для того, чтобы проверить системы Эйнштейна и Ньютона. Во время затмения свет Солнца на несколько минут будет закрыт. В течение этих немногих минут станут видны звезды по соседству с Солнцем. Крошечный луч света от каждой из этих звезд сможет достигнуть Земли, только пройдя вблизи от Солнца. Если верна теория Ньютона, эти звезды окажутся в тех же местах, где они обычно бывают ночью, когда их свет не проходит рядом с Солнцем. Если верна теория Эйнштейна, то все звезды окажутся чуть в стороне от своего обычного положения из- за искривления света. В каждом случае звезда окажется чуть дальше от Солнца, чем ей следовало бы быть. Максимальное смещение составит примерно 1¾ дуги. Это крошечная величина, но она вполне поддается измерению.

Это затмение стало, наверное, самым важным в истории астрономии. Сделанные фотографии спешно доставили в Англию. Положение звезд измерили...

И они оказались смещены!

Они были смещены приблизительно в том направлении и в той степени, которые предсказал Эйнштейн. Он одержал явную победу! С тех пор наблюдения повторяли несколько раз, получая тот же самый результат.

На самом деле различные стороны системы Эйнштейна уже подверглись проверке, и в каждом случае было видно, что система работает. Атомная бомба — одно из самых очевидных доказательств правильности одной из частей теории Эйнштейна.

И ЧТО ТЕПЕРЬ?

Я начал эту книгу с рассказа о том, как вавилоняне, жившие 2500 тысяч лет назад, наблюдали, как звезды медленно вращаются но небу. Я закончил ее тем, как астрономы удовлетворительно объяснили последнее непонятное движение в пределах Солнечной системы. Механизм Солнца и его планет кажется полным.

Осталось ли что-то несделанным?

Ответ таков: конечно, осталось. Всегда останется нечто недоделанное. Конца знаниям нет и не может быть. Чем больше вопросов человечество решает, тем большее количество дополнительных вопросов у него возникает.

В конце концов, Птолемей был не совсем прав. Коперник был убедительнее, но и он оказался не совсем прав. Ньютон был еще более убедителен — и он был не совсем прав. Что-то должно находиться и за пределами системы Эйнштейна.

И даже если не считать общего устройства Вселенной, мы еще очень многого не знаем о планетах. Например, Луна почти наверняка покрыта слоем ныли. Насколько толст этот слой? Мы видим только одну сторону Луны. Что на другой ее стороне? Венеру вечно покрывают облака. Из чего состоят эти облака? Как выглядит поверхность Венеры? Юпитер испускает радиоволны. Что их создает? На Марсе есть зеленоватые пятна. Не связаны ли они с какой-то формой растительности?

На эти вопросы трудно ответить, потому что мы ограничены тем, что можем увидеть с помощью телескопа, спектроскопа и фотокамеры. Все они зависят от излучения, проникающего сквозь атмосферу. Атмосфера пропускает сквозь себя далеко не все лучи и искажает те, которые пропускает.

Однако наше время — время новой научной революции. Мы отправляем в космос спутники, на которых установлены приборы, чтобы посылать информацию о том, что происходит за пределами атмосферы.

Но и таким образом мы, конечно, будем полагаться на информацию, которая приходит к нам издалека. Однако близко то время, когда в космос будут уходить ракеты с людьми, и люди будут высаживаться на Луну.

Наше поколение может стать удачливым. В нем появятся люди, которые смогут сами отправляться за информацией, вместо того чтобы ждать, чтобы информация пришла к нам сюда. Наше поколение вырвется из нашей планетной тюрьмы и вторгнется в новые области царства Солнца.